钢筋混凝土框架的抗震设计.ppt

5 5钢筋混凝土框架的抗震设计 一 一般概念 1 梁与柱的弯曲延性 实验表明变形能力随轴压比增大而急剧降低 N为组合轴压力设计值 b h为截面的短长边 fc为混凝土抗压强度设计值 轴压比 柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比 即 它是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度 还是受压区混凝土先达到其极限压应变的主要指标 配筋率对延性影响也很大 截面中配置受压钢筋可以改善构件的弯曲延性 2 受剪构件的剪跨比及破坏特征 h0为截面有效高度 剪跨比 构件在弯矩和剪力共同作用下 受剪破坏与剪跨比有关 脆性破坏 当且配筋箍适量时 发生剪压破坏 延性破坏 在水平地震作用下 梁柱的剪跨比可以直接通过梁的跨高比和柱的高厚比表示 设反弯点在构件中央 对于梁 对于柱 1 平面或楼层有局部薄弱环节 不能发挥整体抗震能力 3 震坏房屋在设计上存在的问题 2 梁柱变形能力不足 构件过早破坏 3 梁柱节点箍筋不足 节点受震破坏 梁柱失去了相互之间的联系 4 砌体添充墙破坏 5 其他 1 框架塑性效应较多地发生在梁端 底层柱的塑性效应较晚形成 4 框架结构抗震设计的正确指导思想 2 梁柱在弯曲破坏前 避免发生其它形式破坏 如剪切破坏 粘结破坏等 3 在梁 柱破坏之前 节点应有足够的强度即变形能力 4 重视非结构构件设计 强柱弱梁 强剪弱弯 更强的节点 1 地震作用在结构各部分的分配 通常假定楼屋盖在其平面内的刚度为无穷大 可推得i层第j柱的地震剪力为 二 地震作用在结构各部分的分配和计算 第i层第j柱的抗侧刚度 2 内力计算方法 反弯点法D值法 改进的反弯点法 内力计算步骤 层间剪力分配到柱 计算柱弯矩 根据节点平衡计算梁弯矩 1 反弯点法 在水平荷载作用下 假定节点的转角为0 当时 可假定 在柱的1 2高度处截面弯矩为零 柱的弹性曲线在该处改变凹凸方向 故此处称为反弯点 反弯点距柱底的距离称为反弯点高度 柱的反弯点确定后 如果再求得柱剪力后 即可给出框架的弯矩图 柱中剪力的计算 假定 梁的刚度无穷大 柱端弯矩的计算 根据反弯点高度和柱中剪力确定 假定底层柱的反弯点在柱高2 3处 梁端弯矩的计算 边节点 由节点平衡确定 中节点 按梁的转动刚度分配确定 例 用反弯点法计算图示结构弯矩图 图中括号内数字为各杆相对线刚度值 解 柱中剪力 三层 二层 一层 弯矩图 2 改进的反弯点法 D值法 反弯点法只适用于梁柱线刚度比大于3的情形 如不满足这个条件 柱的侧移刚度和反弯点位置 都将随框架节点转角大小而改变 这时 再采用反弯点法求框架内力 就会产生较大的误差 改进的反弯点法近似地考虑了框架节点转动对柱的侧移刚度和反弯点高度的影响 改进的反弯点法是目前分析框架内力比较简单 而又比较精确的一种近似方法 因此 在工程中广泛采用 改进反弯点法求得柱的侧移刚度 工程上用D表示 故改进反弯点法又称 D值法 2 D值法 改进反弯点法 考虑上下梁刚度的影响 对反弯点位置加以修正 计算步骤如下 计算各层柱的侧移刚度D a 修正系数 由梁柱线刚度比定 柱线刚度 假定 1 柱AB及与其相邻各杆的杆端转角相同 2 柱AB及与其相邻的上下柱的线刚度相同 柱高相同 层间位移相同 取值 边柱 中柱 一般层 底层 计算各柱分配剪力 确定反弯点高度yy0 标准反弯点高度比 根据框架总层数 该柱所在的层数以及梁柱线刚度比确定y1 上 下梁线刚度不同 对y0的修正值弯点上移 y1为正值弯点下移 y1为负值 y2 上层层高与本层层高不同时 反弯点高度修正值 由和查表 计算柱端弯矩上端下端 y3 下层层高与本层层高不同时 反弯点高度修正值 梁端剪力 计算柱轴力N 为各层柱上梁端剪力之和 计算梁端弯矩 竖向荷载作用下框架内力计算 弯距分配法 内力组合 在进行构件截面设计时 需求得控制截面上的最不利内力组合作为配筋的依据 对于框架梁 一般选梁的两端截面和跨中截面作为控制截面 对于柱 则选柱的上 下端作为控制截面 内力不利组合就是控制配筋最大的内力组合 内力组合 一般有两种组合 1 地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合 2 竖向荷载效应组合 非抗震组合 包括全部恒载与活载的组合 具体对于框架来说 对框架梁 框架柱的控制截面进行内力组合 i 框架梁 取不利组合 梁端正弯矩 梁端负弯矩 跨中正弯矩 梁端剪力 ii 框架柱内力不利组合 柱上下端为控制截面取不利组合 六 位移计算 1 多遇地震烈度下 求出多遇烈度下得各层间剪力层间位移2 罕遇地震作用下层间弹塑性位移计算对于大于0 5的框架 只要弹性位移满足要求 可不进行弹塑性位移计算 略 当时 进行弹塑性位移计算 验算步骤 楼层屈服强度的确定 薄弱层确定 一般在底层和较小层 薄弱层的层间弹塑性位移验算 楼层屈服强度的确定a 根据梁柱的实际配筋及材料的强度标准值 计算梁柱的实际极限抗弯承载力梁 柱 楼层屈服强度 剪力 的确定示意 计算梁柱极限抗弯能力 计算柱截面有效受弯承载力 计算柱的层间受剪承载力 b 计算柱端截面有效受弯承载力 与屈服机制有关 根据破坏机制 当时 为强梁弱柱型柱先屈服 梁后屈服当时 为强柱弱梁型 梁首先屈服 柱端截面有效受弯承载力由节点的弯矩平衡得出 且不大于柱的极限弯矩 当且一柱端先达到屈服 此时 另一端的受弯承载力按刚度求得 上柱下端屈服 下柱上端屈服 c 计算第i层第j根柱的受剪承载力 d 第i层各柱总的屈服强度 薄弱层的层间弹塑性位移计算 层间弹塑性位移验算 框架计算步骤 确定计算简图 几何参数计算 静力荷载统计 地震作用计算 用底部剪力法计算水平地震作用及层间剪力 内力计算 用D值法计算水平作用下的内力 并同时进行弹性层间位移验算 用分层法或弯矩二次分配法计算重力荷载代表值作用下的内力 计算各项非地震荷载作用下的内力 内力组合 包括地震作用组合及非地震作用组合 截面及节点设计 配筋计算 弹塑性位移验算 三 框架柱 梁 节点抗震设计 1 框架柱的抗震设计 设计原则 1 强柱弱梁 使柱尽量不出现塑性铰 2 在弯曲破坏前不发生剪切破坏 使柱有足够的抗剪能力 3 控制柱的轴压比不要太大 4 加强约束 设置必要的约束箍筋 1 强柱弱梁 为了使塑性铰首先在梁中出现 同一节点柱的抗弯能力要大于梁的抗弯能力 抗震规范规定 一 二 三级框架的梁柱节点处 除顶层和柱轴压比小于0 15者外 柱端组合弯矩设计值应符合下列公式要求 9度和一级框架结构尚应符合 为了不使框架底层柱过早出现塑性铰 规范规定 一 二 三级框架底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1 5 1 25 1 15 2 在弯曲破坏前不发生剪切破坏 a 柱剪力设计值的调整 9度时和一级框架尚应符合 V 柱端组合剪力设计值 b 剪压比限值 剪跨比大于2 5时 剪压比 截面内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比 即 剪压比过大 混凝土会过早发生斜压破坏 箍筋不能充分发挥作用 它对构件的变形能力也有显著影响 因此应控制 c 柱斜截面受剪承载力 在反复荷载作用下 混凝土所能承受的极限剪力大大降低 设计时需考虑这种影响 验算采用与非抗震时的承载力验算形式 但须除以承载力抗震调整系数 N为组合轴压力设计值 b h为柱的短长边 fc为混凝土抗压强度设计值 轴压比 柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比 即 它是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度 还是受压区混凝土先达到其极限压应变的主要指标 柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低 规范规定 柱轴压比不应超过下表 但 类场地上的较高高层建筑柱轴压比限值应适当减小 3 控制柱的轴压比 框架柱的破坏主要集中在柱端1 0 1 5倍柱截面高度范围内 a 承担柱子剪力 b 约束混凝土 提高混凝土抗压强度 提高变形能力 c 为纵向钢筋提供侧向支承 防止纵筋压曲 4 加强柱端约束 加密箍筋的作用 为了避免地震作用下框架柱的过早屈服 并获得较大的屈服变形 必须满足纵向钢筋的最小总配筋率 5 柱纵向钢筋的配置 例 框架柱抗震设计 已知某框架中柱 抗震等级二级 轴向压力组合设计值N 2710kN 柱端组合弯矩设计值分别为和 梁端组合弯矩设计值之和 选用柱截面 采用对称配筋 经配筋计算后每侧 梁截面 层高4 2m 混凝土强度等级C30 主筋 级钢筋 箍筋 级钢筋 解 1 强柱弱梁验算 抗震等级二级 要求节点处梁柱端组合弯矩设计值应符合 近似假定 已知的亦分别是节点上下柱端截面组合弯矩设计值和节点左右梁端截面组合弯矩设计值之和 例 框架柱抗震设计 已知某框架中柱 抗震等级二级 轴向压力组合设计值N 2710kN 柱端组合弯矩设计值分别为和 梁端组合弯矩设计值之和 选用柱截面 采用对称配筋 经配筋计算后每侧 梁截面 层高4 2m 混凝土强度等级C30 主筋 级钢筋 箍筋 级钢筋 解 1 强柱弱梁验算 抗震等级二级 要求节点处梁柱端组合弯矩设计值应符合 近似假定 已知的亦分别是节点上下柱端截面组合弯矩设计值和节点左右梁端截面组合弯矩设计值之和 则 满足 例 框架柱抗震设计 已知某框架中柱 抗震等级二级 轴向压力组合设计值N 2710kN 柱端组合弯矩设计值分别为和 梁端组合弯矩设计值之和 选用柱截面 采用对称配筋 经配筋计算后每侧 梁截面 层高4 2m 混凝土强度等级C30 主筋 级钢筋 箍筋 级钢筋 解 2 斜截面受剪承载力 1 剪力设计值 2 剪压比应满足 满足 例 框架柱抗震设计 已知某框架中柱 抗震等级二级 轴向压力组合设计值N 271